定向鉆“二接一”回拖法在有限布管場地中的應(yīng)用

王 彬

中化二建集團有限公司 山西 太原 030021

近年來，隨著現(xiàn)代非開挖技術(shù)的不斷發(fā)展，市政管道、電信通訊等基礎(chǔ)設(shè)施的新建、擴建和改造，以及西氣東輸、川氣東輸?shù)却笮凸艿赖拇┰焦こ塘康脑黾?，國?nèi)的定向鉆施工技術(shù)得到迅速發(fā)展。在國內(nèi)，采用定向鉆施工技術(shù)成功穿越了長江、黃河等大型河流及海域的管道工程，創(chuàng)造了國內(nèi)外一系列穿越紀錄，從而產(chǎn)生了“二接一”、“三接一”或“多接一”的定向鉆回拖方法。以下主要結(jié)合上海金虹航油管道工程項目討論定向鉆“二接一”回拖法在有限布管場地中的應(yīng)用。

上海金虹航油管道工程項目位于上海石化廠區(qū)至虹橋機場儲油庫設(shè)備區(qū)，管線全長73.km，管徑為D457mm×9.5mm，設(shè)計壓力6.0MPa。因沿線多村莊、河流、省市級道路，多采用定向鉆施工，現(xiàn)選取橫浦河段的定向鉆“二接一”回拖法進行討論。

1 施工現(xiàn)場狀況

橫浦河定向鉆全長564m，西側(cè)200m 范圍內(nèi)有高速綠化帶、廢棄房屋，以及橫穿區(qū)級公路，因而西側(cè)不易作為入土點；東側(cè)300m 內(nèi)為農(nóng)田，300m 外有較多人流穿梭的公路及房屋建筑，不能整條布管鋪設(shè)，需并列設(shè)置兩根管道，長度各為282m，因而采取“二接一”回拖法進行施工。

經(jīng)查閱本工程地質(zhì)勘察報告，該位置地質(zhì)表層為雜填土，下面依次為褐黃色粉質(zhì)粘土、灰黃色黏土、灰色黏土、暗綠草黃色黏土、草黃色砂紙黏土和灰色粉質(zhì)黏土夾砂質(zhì)粉土。穿越工作主要在淤灰色黏土、暗綠草黃色黏土和草黃色砂紙黏土中進行。該地段地質(zhì)條件良好，但仍應(yīng)防止縮孔、塌孔現(xiàn)象，要及時擴孔，及時回拖。

2 回拖力計算

鋼管直徑：Φ457mm；壁厚：δ=9.5mm；一次拖拉長度：L=564m。

鋼管自重（F自）計算式見式（1）。管線在洞內(nèi)摩擦力（F1）計算見式（2）。

式中：f——管道在孔壁之間摩擦系數(shù)（0.2～0.6）,取f=0.3；

管線在洞內(nèi)鉆進摩阻力（F2）計算見式（3）。

式中：T——泥漿供應(yīng)力，19.5Pa；

ψ——固相含量系數(shù)（10～40），取15。

回拖力：Fmax=F1+F2=17.74+23.67=41.41t

則，Φ457 回拖力=41.41t×1.5=62.13t＜鉆機拉力（90t)。

3 定向鉆機設(shè)備選型

根據(jù)以上管道回拖力計算可知，采用90t 鉆機可以滿足條件。本次定向鉆選用古登牌GD450- L 型定向鉆機及成套施工設(shè)備，該鉆機平時為45t 回拖力，裝備配套馬達后，回拖力可達到90t。采用此型號鉆機可節(jié)約鉆機進出場及臺班費用，運輸方便，經(jīng)濟適用。

4 導(dǎo)向孔施工過程控制

導(dǎo)向孔施工是定向鉆穿越的第一道工序，導(dǎo)向孔的軌跡控制是通過導(dǎo)向鉆頭來完成的，導(dǎo)向鉆頭是一種帶有斜掌面的射流輔助型切削鉆頭，直徑比鉆桿粗一些。當(dāng)鉆桿前面裝上鉆頭回轉(zhuǎn)并鉆進時，可以鉆出直線孔；當(dāng)鉆桿前面裝上鉆頭只鉆進、不轉(zhuǎn)動時，將鉆出弧線孔。導(dǎo)向鉆頭內(nèi)部帶有發(fā)射器，地表有對應(yīng)的接收器，能接收發(fā)射器采集到的斜掌面方位、導(dǎo)向鉆頭指向和深度等參數(shù)；地面操作人員通過參數(shù)來控制施工軌跡，作為預(yù)擴孔和回拖管線的引導(dǎo)曲線。

導(dǎo)向孔施工在進行巖石地質(zhì)穿越時還需要增加泥漿馬達。普通地質(zhì)一般不采用泥漿馬達鉆孔，而是直接利用鉆機本身的推進和旋轉(zhuǎn)功能進行鉆進施工。對于堅硬地質(zhì)，由于鉆機本身的旋轉(zhuǎn)速度有限，同時由于鉆機旋轉(zhuǎn)鉆進只能鉆進直線，因此必須加裝泥漿馬達，利用泥漿馬達的高速旋轉(zhuǎn)進行鉆孔施工。

5 擴孔施工過程質(zhì)量控制

由于本次定向鉆回拖為“二接一”的方式，管道回拖停滯時間長，存在一定風(fēng)險。為了減少風(fēng)險，采取增大孔徑的辦法，使最大擴孔孔徑達到1.5 倍直徑，即Φ700mm。在擴孔過程中，如發(fā)現(xiàn)扭矩及拉、拖力較大時，可采取多遍洗孔方式；洗孔時還要做好各項記錄，直到各項參數(shù)達到規(guī)范要求為止。最小擴孔直徑與穿越管徑關(guān)系見表1。定向鉆擴孔和定向鉆洗孔現(xiàn)場分別見圖1 和圖2。

表1 最小擴孔直徑與穿越管徑關(guān)系表

圖1 定向鉆擴孔

圖2 定向鉆洗孔

6 回拖過程質(zhì)量控制

回拖是定向鉆穿越的最后一步，也是最關(guān)鍵的一步?；赝蠒r采用的施工方式是：鉆桿+ 擴孔器+ 回拖萬向旋轉(zhuǎn)接頭+ 管道。在回拖時，應(yīng)進行連續(xù)作業(yè)，避免因施工停滯，造成擴孔器卡住等現(xiàn)象。

定向鉆“二接一”回拖工序及順序：回拖旋轉(zhuǎn)接頭連接→第一節(jié)管道回拖→管道對口焊接→第二節(jié)管道回拖。

6.1 回拖前的檢查工作

（1）在定向鉆管道回拖前，應(yīng)對管道進行電火花檢測，并經(jīng)監(jiān)理簽字確認；

（2）管道回拖前，必須檢查管道內(nèi)試壓水是否排放干凈，管道兩端是否封堵嚴密，確保管道內(nèi)干凈無雜質(zhì)。

（3）回拖旋轉(zhuǎn)接頭與鋼管焊接必須牢固可靠，焊縫必須進行無損檢測，焊縫評定等級Ⅱ級以上為合格。

（4）定向鉆回拖現(xiàn)場需要搭設(shè)移動洗片室，方便現(xiàn)場洗片，以減少回拖停滯時間。

6.2 管道支墩的設(shè)置

本定向鉆管道回拖結(jié)合地形條件和現(xiàn)場條件，采用土墩支墊+ 土袋的形式，避免管道防腐層及補傷口被破壞，并適當(dāng)進行撒水措施，減少管道在回拖過程中與土的摩擦力。

根據(jù)回拖施工經(jīng)驗，回拖時經(jīng)常在管道下方墊聚乙烯給水管（直徑在200mm 左右）。因聚乙烯管道具有韌性好、塑性好、強度高等特點，可以使管道在回拖過程中保持管道干凈，防腐層及熱收縮帶不被損壞，提高了回拖過程中電火花檢測的精度。

6.3 定向鉆“二接一”回拖過程質(zhì)量控制

（1）擴孔、洗孔完成后，在鉆桿前面一次裝上擴孔器、旋轉(zhuǎn)接頭、回拖管道（圖3）。管道外觀檢查合格后，再次查看定向鉆機地錨是否符合要求，利用挖機將回拖管道順直到出土點處。

圖3 第一段管道回拖

（2）在管道回拖過程中，安排兩組防腐補傷專業(yè)人員，一組在入土點30m 處左右，另一組在入土點50m 處，進行動態(tài)電火花檢測（圖4）。如果發(fā)現(xiàn)管道有劃傷，要及時進行現(xiàn)場修補，確保管道防腐層完好。

圖4 電火花檢測

（3）回拖過程中要控制回拖速度均勻。當(dāng)?shù)谝欢喂艿阑赝系郊s80m 處時，采用挖機將第二段管道從尾端逐步移到第一段管道的位置。各臺挖掘機必須聽從統(tǒng)一指揮，確保移動管道時平穩(wěn)安全。

（4）第一段管道回拖至出土點大約40m 處時（必須保證管道平直），由挖機將第二段管道全部移動到第一段管道位置上，并配合焊工完成兩段管道的組對過程。詳見圖5 和圖6。

圖5 管道連頭

圖6 第二段管道回拖

（5）兩段管道的連頭作業(yè)是定向鉆“二接一”回拖中的重點工序，時間應(yīng)盡量縮短。主要工序如下：管道組對→管道焊接→焊口噴砂除銹→焊口探傷→焊口防腐。完成管道連頭后，應(yīng)繼續(xù)進行回拖作業(yè)。

在施工過程中，各工序所用時間：管道組對約0.75h，焊接約0.75h，噴砂0.5h，拍片0.5h，評片0.5h，防腐補口0.5h，合計管道連頭需3.5h。

根據(jù)《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》GB50424- 2015 中要求，回拖作業(yè)宜連續(xù)進行，特殊情況下，停止回拖時間不宜超過4h。

（6）因管道內(nèi)敷設(shè)有用于管線位置復(fù)測的鋼絲線，為避免鋼絲因焊接被燒斷，焊接前將預(yù)制好的鋼套管穿在鋼絲線外（圖7），來保護鋼絲線。

圖7 鋼絲鋼套管

（7）“二接一”焊口防腐方式：采用改性高密度聚乙烯定向鉆專用熱縮帶，同時在該專用帶外部回拖方向使用犧牲帶加強防腐。

7 定向鉆施工技術(shù)風(fēng)險分析

雖然定向鉆施工技術(shù)越來越成熟，但一些難度較大的穿越工程還是具有較高的風(fēng)險系數(shù)，尤其隨著定向鉆技術(shù)向更粗、更硬、更長、更復(fù)雜領(lǐng)域發(fā)展，逐漸增加了潛意識里定向鉆技術(shù)的風(fēng)險認識。尤其采用“二接一”或“多接一”的回拖方法，會在一定程度上加大定向鉆施工技術(shù)風(fēng)險。

7.1 鉆具的風(fēng)險分析

定向鉆鉆具包括鉆桿、導(dǎo)向鉆頭、擴孔器等?？叵騿卧偝裳b在導(dǎo)向鉆頭內(nèi)，導(dǎo)向鉆頭受損將直接導(dǎo)致控向儀表導(dǎo)向偏差或者失靈。鉆頭常見的風(fēng)險是鉆頭磨損?；罱宇^最常見的風(fēng)險是斷裂，出現(xiàn)斷裂的原因是保養(yǎng)的周期過長或保養(yǎng)不及時，活接頭的潤滑不夠，從而導(dǎo)致?lián)p壞斷裂。

7.2 施工工藝的風(fēng)險分析

在擴孔、洗孔過程中，由于要擴到管道直徑的1.2～1.5 倍，一般情況下需要三級擴孔。過程中通過準(zhǔn)確地控制擴孔級差，來降低扭矩及塌孔的可能性，因此合理的擴孔級差也很重要。

不同的地質(zhì)需要配制與之相適應(yīng)的泥漿，泥漿的風(fēng)險在于其配比和排量：排量過小容易使廢渣排出不徹底，孔壁泥漿保護膜厚度不夠造成塌孔；排量過大又會引起地面冒漿，從而影響地質(zhì)的穩(wěn)定，嚴重的甚至造成塌孔。

8 結(jié)論

定向鉆“二接一”回拖法在本項目中得到了多次使用，提高了施工速度，節(jié)約了施工成本，縮短了施工工期。但由于組對焊接和焊口檢測的時間較長，容易導(dǎo)致鉆孔塌方與抱管，從而造成回拖失敗，因而對回拖時間和回拖過程必須嚴格控制。應(yīng)充分認識定向鉆的施工技術(shù)風(fēng)險，對各種技術(shù)風(fēng)險認真識別，并做好充分的應(yīng)對措施和應(yīng)急措施，才能提高定向鉆“二接一”的成功率，從而保證工程項目的順利實施。